针对引信电源所提出微型化、灵巧化以及实时快速准确响应供电的技术要求,本文以一种可与引信微型电源结合使用,且具有可识别中大口径滑膛炮引信正常发射和勤务跌落两种典型加速度环境、体积小、可靠性高、通电性能良好以及耐冲击等特点的非硅高g值微机械加速度开关为研究对象,采用数值模拟计算与实验相结合的研究方法,开展了双阈值加速度环境识别机理、开关通电可靠性和通电性能技术研究。首先,根据开关在整个生命周期中所受引信环境力的特点和针对开关提出的性能要求,基于开关工作原理,建立了由环境识别模块与通电模块组成的物理模型,并对其进行了动力学、系统响应以及碰撞过程分析,确定采用曲线运动识别法进行开关的设计。从弹簧及其与质量块的组合布置选型入手分析,结合数值模拟方法,分析各结构参数对开关性能的影响,进而设计了具有较好抗过载性能且可同时识别两种典型加速度环境的牙型环境识别模块、基于软接触电极设计的通电模块以及相应的辅助功能部件,并对开关整体结构进行了瞬态数值分析,最终确定设计结构。根据器件性能要求、加工周期、加工难易程度以及加工成本等因素,选取多层UV-LIGA(Ultraviolet Lithographie,Galvanoformung and Abformung)技术进行开关芯片的加工,封装后芯片样机的整体尺寸为 11.43mm×11.43mm×2.05mm。其次,分析了影响开关通电可靠性的各种因素,并从机械和电气两方面进行组合设计以提高开关的通电可靠性。基于电容充放电原理,设计了相应的RC防抖电路以去除因外部机械冲击影响而可能出现的电压抖动和瞬间中断失效。针对开关进行了闭合过程、正常飞行以及碰击目标三个模拟环境测试,且结果表明结合RC防抖电路的闭锁机构可有效去除电压抖动,能确保后续电路稳定运行。同时,利用耐电流测试系统进行测试可知开关可承受1.8A的负载电流,满足引信电路对电流的要求。再次,从经典Hertz弹性、弹塑性以及塑性接触理论入手,对微观环境接触电阻进行了分析研究,并对收缩电阻模型和薄膜电阻模型进行讨论。首先对单个微触点进行研究,随后通过分析接触电极表面几何形貌以及外界载荷,导出了具有工程实际应用意义的粗糙表面接触电阻模型,并结合接触力计算公式,获得了接触电阻-接触力特性曲线。基于测量所得表面几何形貌,通过测试得到三种接触机制下理论值和实验值对应的接触电阻-接触力关系曲线吻合较好,可为后期基于UV-LIGA技术设计的微开关提供理论参考。另外,实验结果表明开关闭合后的接触电阻约为2Ω。最后,对封装后的高g值微机械加速度开关原理样机进行了动、静态性能测试,研究了原理样机的环境识别性能和抗冲击性能。结果表明,开关可有效识别两种典型加速度环境,即在模拟正常发射的空气炮射实验环境(幅值:3682g,脉宽:4ms)下可靠闭合,而在模拟勤务跌落的马希特锤击实验环境(幅值:15300g,脉宽:133μs)下始终保持断开,验证了设计准确性;在模拟飞行环境和碰击目标环境中,开关始终保持稳定接通;利用马希特锤击系统进行了抗高过载性能冲击实验,结果表明开关在高冲击环境下(幅值:30200g,脉宽:100μs)未出现如塑性变形、分层、粘连以及断裂等失效形式,与设计结果吻合较好。
